在亚厘米级管道中高效运动的管道探测机器人

 近日，清华大学机械系现代机构学与机器人化装备实验室研发了一种可在亚厘米级管道中高效运动的管道探测机器人。

在航空发动机和炼油机等复杂系统中，有大量用于输送水、气体和油的管道。通常，这些管道具有各种直径、变化的曲率，并覆盖较长的距离。为确保它们处于良好的工作状态，需要定期从外部和内部进行管道检修。目前已开发的各种管道巡检机器人包括轮式、腿足式、履带式等运动机构，多采用电磁电机驱动，适用于大口径管道的检测。当涉及到直径小于一厘米的微细管道时，机器人的尺寸很难按比例缩小。

本项工作提出了一种智能材料驱动的微型管道检测机器人（重量 2.2 克，长度 47 毫米，直径<10 毫米），可以适应亚厘米直径和变化曲率的复杂管道。机器人采用高功率密度、长寿命的介电弹性体致动器作为人造肌肉，采用基于智能复合微结构的高效锚固单元作为传动装置，使用具有可调节数目的磁单元来快速组装机器人，以适应不同管道的复杂几何形状。通过考虑软材料的独特特性（如粘弹性和动态共振）来分析机器人的动态特性，并相应地调整驱动电压的频率和相位，以优化机器人的运动速度。这个基于高频蠕动运动原理的管道机器人由外部的缆线来提供动力，在亚厘米大小的管道中实现了水平和垂直快速运动（速度：1.19 身长/秒）。此外，它能够在不同几何形状的管道（变径管、L形管、S形管、螺旋形管等）、不同的填充介质（空气、油等）和不同材质（玻璃、金属、碳纤维等）的管道中高速行进。为了验证其管道检测能力，机器人正面安装了一个微型摄像头，从外部控制该机器人，机器人以不同的速度成功完成了一组管道巡检任务演示。该技术将来有望在航空发动机管路检修等领域发挥作用。

该成果以“用于亚厘米级管状环境导航的管道检测机器人”（A pipeline inspection robot for navigating tubular environments in the sub-centimeter scale）为题发表在《科学·机器人》（Science Robotics）上。

论文第一作者为清华大学机械工程系博士后汤超，通讯作者为机械工程系副教授赵慧婵，其他作者包括机械工程系教授刘辛军和2021级博士生杜伯源、2018级博士生姜淞文、2019级硕士生邵琦、2019级博士生东旭光。该团队多年来一直专注于机器人领域相关研究。本项工作受到了国家自然科学基金青年基金、面上项目以及共融机器人重大研究计划等项目的支持。（来源：清华大学）